p型Ce填充方钴矿与CuMo电极扩散焊工艺及机理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong511
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方钴矿热电材料在中温段(500-550℃)具有较高的转换效率、良好的机械性能和经济实用性,已在深空探测领域和汽车尾气废热回收领域实现了良好的应用,但大规模的投入使用对器件接头的可靠性提出了更高的要求。方钴矿在应用时需要与电极连接组成热电发电器件,在连接过程中需要考虑接触效应问题、元素扩散问题和热膨胀系数匹配问题,因此亟需开发一种连接中间层能够同时有效地解决上述问题。本文设计并制备了 FeCoNiCrMo高熵合金中间层,研究了其与了 CuMo合金电极和p型Ce0.8Fe3CoSb12方钴矿热电材料连接的扩散焊工艺,进一步探究了接头的高温热稳定性,及服役时间对其接触电阻率的影响规律。首先初步探索了两种高熵合金中间层FeCoNiCrX(X=Cu,Mo)与Ce0.8Fe3CoSb12方钴矿的扩散焊连接,通过观察连接界面微观组织特征研究了两种中间层的焊接性。结果表明,FeCoNiCrCu高熵合金与方钴矿扩散焊连接时,Cu元素和Sb元素互扩散严重,接头存在纵向和横向的贯穿裂纹,二者热膨胀系数差异较大;而FeCoNiCrMo高熵合金与方钴矿的接头界面结合良好。采用FeCoNiCrMo高熵合金中间层扩散连接CuMo合金电极和p型Ce0.8Fe3CoSb12方钴矿热电材料,连接接头各界面完整,平直无缺陷,典型的界面结构为 CuMo/(Ni,Cu)ss/FeCoNiCrMo/Mo3Sb7/(Fe,Co,Ni,Cr)Sb/p型方钴矿。探究了焊接温度、焊接压强和保温时间对接头微观组织结构和力学性能的影响,最优工艺参数如下:焊接温度为600℃,焊接压强为40 MPa,保温时间为10 min,此时接头接触电阻率为1.8μΩ·cm2,接头抗剪强度为 21.6 MPa,接头剪切断裂位置出现在FeCoNiCrMo/p型方钴矿界面处。进一步研究了 CuMo/Ni/F eC oNiCrMo/p型方钴矿接头在550℃的服役温度下分别退火50 h、100 h和640 h,接头退火640 h后,CuMo/Ni/F eC oNiCrMo界面处冶金结合依然良好,形成的(Cu,Ni)ss能够进一步提升界面强度,FeCoNiCrMo/p型方钴矿接头界面处反应层厚度14.4 μm;接头抗剪强度降至18.8 MPa,接头接触电阻率增长至4.2μΩ·cm2。通过对退火后、接头反应层厚度和接触电阻率的试验数据拟合,预测在550℃下退火100天(2400 h)后接头的反应层厚度不超过25 μm,接触电阻率不超过6.5 μΩ·cm2;预测在550℃下退火1年(8760 h)后接头的反应层厚度不超过45 μm,接触电阻率不超过11μΩ·cm2。
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